《铁路货车设计与制造》教案 第四章 转向架设计

铁路货车设计与制造教案课程信息课程名称铁路货车设计与制造授课专业铁路机车车辆课程类型必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（√）；选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）授课方式讲授（√）；实践课（√）；其它（）考核方式考试（）；考查（√）课程教学总学时数32学时学分数2学分学时分配理论课20时；实践课12学时；教材名称铁路货车设计与制造［M］作者冯成尧；马贵平出版社西安电子科技大学出版社书号978-7-5606-6561-0出版时间2022.08班级课程名称铁路货车设计与制造授课教师授课课时4学习课题转向架设计教学基本要求1、了解货车转向架的结构；2、结构设计；3、计算；4、试验验证。教学重点、难点铁路货车总体设计内容教学方法、手段案例导入法、讲授法、小组讨论法教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结参考案例来自教材、相关参考书教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案授课提纲及重难点分析教学方法设计时间分配及旁注4.1绪论转向架的主要作用是支承车体，承受和传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，并使轴重均匀分配；保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线；缓和车辆和线路之间的相互作用，减少振动和冲击，提高车辆运行平稳性和安全性。货车转向架一般由轮对轴箱装置、弹簧悬挂装置、构架或侧架、基础制动装置、转向架支承车体的装置等组成。对货车转向架的一般要求是：结构简单合理，工作安全可靠，运行性能良好，制造成本低廉，维护检修方便等。货车转向架可以按轴型、轴数、弹簧悬挂方式、弹簧结构及材料、垂向载荷的传递方式以及制造工艺方法进行分类。4.2两轴货车转向架4.2.1国外典型货车转向架重载、快捷是当今世界铁路货车的技术发展方向。北美、澳大利亚、南非、巴西、俄罗斯及前苏联地区等国家的货车转向架均以三大件式为主，采用第二系悬挂（中央悬挂），主要往提高轴重和增加载重方向发展。以法国、德国为代表的西欧国家的货车转向架则以构架式为主，采用第一系悬挂（轴箱悬挂），在提高运行速度方面占优势。各国货车转向架的发展是在自己原有的基础上不断改进现有的主型转向架，以适应增加轴重、提高速度的要求。世界主型三大件转向架见表4-2，主型构架式转向架见表4-3。4.2.2国内典型两轴货车转向架国内典型的货车转向架主要有转8A（图6-1）系列转向架、转K1、转K2（图4-2）、转K3（图4-3）、转K4（图6-4）、转K5、转K6（图6-5）、转K7（图4-6）等转向架，其中转8AB、转8B、转K1、转K2、转K3、转K4型转向架为提速货车转向架；转K5、转K6、转K7型转向架为提速、重载货车转向架。图4-1转8A型转向架图4-2转K2型转向架图4-3转K3型转向架图4-4转K4型转向架图4-5转K6型转向架图4-6转K7型转向架为适应我国快速货物运输的发展需要，齐车公司、长江、眉山公司相继研发了160km/h快速货车转向架，此转向架正处在研制当中，取得一点的阶段性成果，转向架具体结构如表4-6所述。4.2.3多轴货车转向架增加转向架的承载能力是提高车辆载重进而提高整个货物列车载重量的最有效途径之一。增加转向架承载能力的办法有两个：一是提高转向架的允许轴重，另一个方法是增加转向架的轴数。多年来，我国铁路的车辆和线路部门一直在为提高线路的承载能力和转向架允许轴重而努力。由于受我国现有线路条件（如轨重、桥梁承载能力等）的限制，要很快提高允许轴重是困难的，因此，采用三轴或多轴转向架是我国铁路发展特大型货车的一条重要途径。多轴转向架可以增加车辆的载重量。但多轴转向架的结构比二轴转向架远为复杂。为充分利用每根轴的承载能力，在多轴转向架上应尽量想办法使每根轴均匀承载。此外，转向架的轴数增多了，其固定轴距也就增加了，在设计转向架时，就必须考虑如何使车辆能灵活地通过曲线，如何减少轮缘磨耗和轮缘力，以及如何防止脱轨等问题。我国现有的货车多轴转向架主要有：三轴转向架、四轴转向架、五轴转向架（分别如图4-7～图4-10所示）。图4-7H型构架式三轴货车转向架图4-8包板式四轴货车转向架图4-9Z10型构架式四轴转向架图4-10构架一体式五轴货车转向架4.2.4重载提速货车转向架特点重载、快捷是铁路货车的技术发展方向。货车重载提速转向架“行走长跑”可靠性是车辆安全运行的保障，转向架设计主要从保证动力学性能稳定、主要部件的结构可靠、磨耗部位实现无磨耗或低磨耗等方面考虑，实现转向架的结构简单，性能良好，安全可靠，维护检修方便。转向架设计的一般要求转向架设计既要考虑继承性，又要考虑先进性；既要提技术性能，又要注意经济效益；既要学习与吸收国外先进技术，又要结合国内实际情况。4.3.1转向架设计的一般原则遵循原则：统筹兼顾、讲求效益的基础上尽量使其结构便于保养与维修并尽量降低维修和保养费用；尽量使其结构的制造工艺性良好；使用的材料来源充足；性能满足设计要求，并有适当的技术储备；保证各部件相互间结合可靠；保证运行安全；尽量采用标准件及通用件，或借用其他转向架中成熟的零部件。4.3.2转向架使用条件及功能分析1.转向架的通用性与专业性通用转向架与专业转向架在总体设计中是不完全一样的。专业转向架只适用于一种车或很少几种车，转向架的使用条件比较单纯，各种工况比较明确，可按具体车辆的使用条件来设计转向架。通用转向架则不同，它适应的车种比较多，为保证这种通用性，通常要考虑以下的问题。1）作用于转向架上的载荷为保证转向架有足够的强度与刚度，要确定出最大可能的计算载荷。如垂直静载荷，应根据转向架选定的轴型、轴数按轴重乘以轴数减去转向架全部或部分自重作为作用在心盘（或旁承）上的载荷或作用在转向架某个零、部件上的载荷。2）转向架与车辆其他部件的接口转向架与车辆其他部件接口主要有两个，一是传递车体上的载荷至轨面的接口，最常见的形式是心盘与旁承；另一个是连接空气制动装置及手制动装置的接口。我国货车转向架通常采用平面心盘，不仅要选用常见的心盘与旁承形式，还要使转向架上的下心盘和下旁承之间的相对位置符合已经使用的车体结构，如两旁承的横向间距、旁承面与心盘面的高差等都有一定的尺寸要求。心盘面高度是转向架的一个技术参数，因车体放在转向架的心盘上，而车钩缓冲装置又安装在底架内，故转向架心盘面高度一定后，再通过底架钢结构的一些尺寸关系满足车钩高度；另一方面，下心盘面的高度又与转向架的结构尺寸有关，如轮径、弹簧下支承面的高度、弹簧自由高、弹簧刚度等。在新设计通用车转向架时，既要考虑最常见通用转向架下心盘面距轨面的高度，又要比较新设计转向架与原有转向架的垂向总刚度有什么不同，即两者在车体自重下的静挠度相差多大？因车辆在新造后车钩高有允许的变化范围，如新设计的转向架其空车静挠度与原有通用转向架相差不大，可仍按原值设计新转向架的心盘面高度。如果两种转向架空车静挠度之差已超过钩高公差允许范围，则必须改变心盘面自由状态下的高度，使其在空车自重下心盘面高度一致。转向架的基础制动装置与车体上制动装置一般是通过一个销接点来连接，只要接头部位的位置、形式及销子的尺寸与原来一致即可。3）转向架零、部件的安全可靠性车辆零、部件在运用中突然失效而导致重大行车事故或恶性事故中，以转向架零、部件失效所占比例最大。列检及修理中重点抓“三裂、二切、一脱落”的预防工作，“三裂”指的是底架中梁、侧架、摇枕因裂纹引起的断裂；“二切”均指切轴，包括冷切与热切；“一脱落”指的是转向架基础制动装置中一些零部件（如制动梁等）的脱落。以上六项中的五项都属于转向架的，所以转向架设计必须要把安全可靠性放在一个重要的位置上，把以往转向架在结构上的不安全因素尽量减少或克服掉。在设计中一般要注意以下事项。安全性高，重要的零、部件及受力件必须要有较大的安全系数及明确的使用寿命。②磨耗少，通过改变结构和材质，使容易磨耗的部位成为无磨耗的活动关节（如橡胶关节）或耐磨、少磨结构。磨耗对转向架来说会使零件截面尺寸缩小，间隙扩大，原有性能不能维持，且随某些零件窜动加剧而使动作用力增大，零部件折断或脱落的可能性就增大了。③性能优良，改善转向架动力学性能，如摇枕弹簧静挠度加大可能使车辆抗侧滚倾覆稳定性降低；采用旁承支重这种结构，虽然可利用它的回转阻力矩抑制蛇形运动，但该力矩对转向架通过曲线产生不利因素，加大了轮缘的导向力，使脱轨稳定性降低。维修方便，转向架的结构要便于检查，便于更换易损零件。4.3.3转向架设计的具体要求1.具有一定裕量的运行安全性2.具有符合速度要求的运行平稳性3.零部件具有足够的强度和合适的刚度4.具有承载和传递牵引力的能力5.轮轨磨耗量要少，并具有通过曲线的导向能力6.尽可能小的簧下质量7.能在规定的制动距离内安全停车8.具有减少噪音、吸收高频振动的能力9.尽可能小的摩擦阻力10.尽可能做到环保、低能耗4.3.4转向架设计步骤转向架设计是一个系统过程，从初期的市场调研到最终的产品定型过程是一个严谨的设计过程。主要的步骤为。1.调查研究调查既有转向架在制造、检修、运用中所存在的问题和市场需求，确定研究和改进方向。调研内容包括国内外情况，开发的必要性、可行性、经济性，了解制造、检修、运用的情况，分清影响产品质量、性能的原因。参考国内外的新技术、新结构、新工艺、新材料，找出解决的办法。2.方案设计根据调研情况拟定设计任务建议书，提出总的结构设想方案，初步确定主要的技术参数及主要的轮廓尺寸。对新设计或改进设计的部分还需提出具体的结构方案，并论证实现的可能性和必要性。3.技术设计进行主要零部件的结构选型和设计，强度计算和动力学性能的校核，确定并绘制全套图纸。4.工艺设计根据工艺装备及生产制造能力对各主要零部件确定尺寸公差和加工要求，制定工艺流程和工艺文件，修改和完成全套生产图纸。5.样机试制及型式检验试制样机后，进行各项检查与试验验证。4.4转向架总体设计转向架总体设计根据设计任务书或者与用户协商的转向架技术要求规定，对转向架的使用条件、使用环境、使用工况进行分析，在综合考虑继承性和先进性的基础上，提出切实可行的转向架结构方案，明确转向架各组成部件的结构、方式，确定转向架的主要性能参数和基本尺寸，为下一步转向架零部件设计及理论计算提供方向和依据。4.4.1转向架总体设计外部条件转向架总体设计的外部条件包括转向架使用的线路情况、气候情况、装载方式情况、车辆用途以及转向架使用维护、维修状况等，选择合适的转向架性能参数与结构。1.线路状况线路是铁路列车运行的基础。列车在线路上行驶，机车车辆与线路相互影响。只有合理确定两者的结构性能才能取得较好的运行效果。1）轨距我国及世界各国采用轨距的情况见表4-7、表4-8。表4-7我国采用轨距的情况分类轨距备注标准轨距1435变化率不应大于2％个别铁路1000昆河线及个别地方铁路采用（称为米轨）森林铁路762约有数千公里（称为窄轨）煤矿铁路600云南省个旧地区及某些煤矿铁路采用台湾铁路1067、762表4-8世界各国采用轨距的情况国别印度苏联日本澳大利亚巴西阿根廷美国非洲国家轨距1676、1000、762、6001524、（1520）1435、10671600、1435、10671600、10001676、1435、100014351067、1000备注1977年改1524新干线采用1435我国轮轨间隙见表4-9。表4-9我国轮轨间隙车轮名称轮轨间隙值（mm）最大正常最小机车轮451611车辆钢轮47149曲线上的轨矩，随着机车车辆固定轴距的加大和线路曲线半径的减小而加宽。我国规定的曲线轨距加宽标准，是以固定轴距为4m的车辆能以静力自由内接触通过为条件计算的，并以各类机车静力强制内接能顺利通过加以验算。曲线轨距加宽规定（未改建线路）见表4-10、4-11。曲线上最小轨距为1433㎜，最大轨距（不脱轨）为1456㎜。表4-10曲线轨距表（未改建线路）曲线半径（m）≥651650～451450～351≤350轨距（㎜）1435144014451450加宽值（㎜）051015对于新建、改建线路的曲线轨距加宽规定见表6-11。表4-11新建、改建线路曲线加宽标准曲线半径（m）≥351351～301≤300加宽值（㎜）05152）轨道类型轨道作为一个整体结构，要共同承受机车车辆所施加的垂直力、水平力、纵向力和经受气候变化的影响。所以要求轨道各组成部分应具有足够的强度和稳定性，以保证列车高速、平稳、安全和不间断地运行。对于年通过量不同和行车速度不同的线路，要配备不同类型的轨道（表4-12）。表4-12正线轨道类型表条件项目单位重型次重型轻型运营条件年通过总量mtkm/km＞3030～18＜8最高行车速度km/h≥12012070轨道条件钢轨kg/m605030轨枕钢筋混泥土轨枕根/km176017601600～1520木枕根/km18401840～17601600道床厚度土质路基面层/垫层cm30/2025/2015～20/20砂石路基cm3530253）线路平面线路平面包括直线区段、圆曲线区段以及联结两者的缓和曲线，在站场中多股道之间用道岔联结它们。直线沿平面向前延伸时分为有缝线路和无缝线路两种。我国钢轨的标准长度有25m和12.5m两种。我国线路曲线一般采用以下各种半径：4000、3000、2500、2000、1800、1500、1200、1000、800、700、600、550、500、450、400和350m。线路的最小曲线半径应根据铁路等级，结合行车速度和地形条件比较选择确定，但不得小于表4-13的规定。表4-13最小曲线半径表铁路等级最小曲线半径（m）一般地段困难地段Ⅰ1000400Ⅱ800400Ⅲ600350最小曲线半径的速度限制见表4-14。表4-14车辆运行在最小曲线半径R的线路上的速度限制R（m）18020025030035040050060070080010001200货物列车453.756.663.269.374.88089.498105.8113.1126.5134.6为了抵消机车车辆由直线进入曲线时所产生的离心惯性力，减少外股钢轨的磨耗，需要将曲线外轨抬高，产生一个向心力，使机车车辆能安全地、平稳地通过曲线。对于不同半径的曲线的外轨超高量见表4-15。目前规定的最大超高度，单线不得超过125㎜，双线不得超过150㎜。同时还规定了曲线上未被平衡的超高度和未被平衡的离心加速度不得超过表4-16的规定。表4-16我国曲线线路容许未被平衡的超高度和加速度线路条件最大未被平衡超高度h0（㎜）最大未被平衡加速度a（m/s2）新设计线路750.5坡度≤6‰的单线或任何坡度的复线一般情况60～750.4～0.5特殊情况900.6山区单线线路900.6由于直线和圆曲线的线路构造不完全相同，为保证行车的安全与平顺，在直线和圆曲线之间设置一段缓和曲线。缓和曲线的长度不能太短，应保证在缓和曲线上外轨超高的顺坡不大于2‰，而且缓和曲线的长度不小于20m。在铁路站场，机车车辆从一条线路转往另一条线路，这就要利用道岔。标准道岔号数以辙叉角余切值取整表示，其辙叉角α愈小，导曲线半径则愈大，容许侧向过辙叉的速度也愈高（见表4-17）。表4-17道岔的基本参数道岔号数N辙叉角α尖轨及辙叉的形式直线尖轨及直线辙叉曲线尖轨及直线辙叉导曲线半径(m)侧向过岔速度(km/h)导曲线半径(m)侧向过岔速度(km/h)87.125°14533～3516034～3796.34°18036～3920038～41115.1944°28045～4930047～50124.7635°33049～5336051～55183.17°//80076～82列车通过道岔可分为直向过岔和侧向过岔二种，其逆向过岔速度限制见表4-18和表4-19。表4-18列车直向逆向通过道岔的速度限制道岔类型（kg）45～50锰钢辙岔45～50拼装辙岔4340～4333～3830～32限速（km/h）9080707060～6550～55表4-19列车侧向逆向通过道岔的速度限制道岔号数891011121518限速（km/h）253035404555804)线路纵断面线路的纵断面根据地形的变化，有上坡、下坡及平道，线路的坡度不宜取得过大，两相邻坡段的坡度值之差也不应过大，在一个区段内坡段数不宜过多。限制坡度是铁路的主要技术标准之一，应根据铁路等级、地形、牵引动力条件和运输要求进行选择确定。各级铁路的最大限制坡度一般不超过表4-20所列的数值。表4-20最大限制坡度表铁路等级一般地段困难地段Ⅰ级铁路6‰12‰Ⅱ级铁路12‰15‰Ⅲ级铁路15‰20‰变坡点与坡段长度是衡量铁路纵断面的另一技术指标，坡段的长短对工程和运营有很大的影响，坡段愈长则变坡点数目愈少，运行平稳性愈好。坡段长度不宜小于表4-21的规定。表4-21坡段长度（m）到发线有效长度1050850750650550坡段长度500400350300250改建既有和增建第二线，在困难条件下，可采用200m的坡段长度。5)轨道不平顺轨道不平顺可分为水平、高低、方向三个方面的不平顺，它是引起机车车辆振动、脱轨、蛇行运动，加剧由线路冲击动力作用产生的轮轨磨耗、破损的主要原因。按照有关规定其要求列于表4-22。有缝线路的轨缝尺寸要求见表4-23。表4-22轨道不平顺表项目正线及到发线站线及专用线水平≯4㎜≯6㎜高低10m≯4㎜≯6㎜方向≯4㎜≯6㎜表4-23有缝线路的轨缝尺寸的要求钢轨长度（m）最大轨缝（㎜）夏季冬季12.58162512172.气候状况车辆运行地区的气候状况对转向架结构设计、零部件材料的选取有重要的参考作用。了解运用地区的气候状况，设计出来的转向架才更具有适应性和针对性。气候状况一般包括该地区的气温（最高及最低气温、年平均气温）、相对湿度、年平均降雨量、年平均日照天数、年平均雨雪天数、恶劣气象天数、风速、沙尘情况、冰雹情况、霜冻情况等等。3.装载货物状况和货物装卸情况转向架用于何种车辆，车辆主要运送何种货物，货物的特点是什么，是否有特别需要关注的特点。车辆及转向架在在将来的使用频率，装载货物的方式方法，比如是否用机械化进行装载。所有的这些信息，在进行转向架总体设计时都要予以关注，以便确定转向架合理的技术参数和结构形式。4.转向架的使用维护、维修情况了解转向架使用维护体制，掌握转向架的维护、维修期限，制定安全、合理、经济的转向架使用寿命期，质量保证期。明确参数确定、结构设计时需要注意的问题，以免设计出来的转向架产品与维护机械发生干涉而影响转向架的维修。4.4.2主要性能参数的确定转向架进行总体设计时，当外部条件进行设计输入后，就要确定转向架的主要性能参数。转向架的主要性能参数包括转向架轴重、自重、载重、运行速度、通过最小曲线半径等内容。确定了转向架的基本性能参数才能为进一步进行转向架结构设计和基本尺寸确定提供依据。1.轴重轴重是铁路车辆的一项基本技术指标，是指按车轴型式及在某个运行速度范围内该轴允许负担的包括轮对在内的最大总质量。轴重的确定与线路强度、桥梁载重等级和选用的钢轨重量有关，许用轴重与钢轨重量的关系见表4-24。表4-24许用轴重与钢轨重量关系轴重（吨数）=1/K·钢轨重量（每延米千克数）K—取2.0～2.2，视钢轨重量、年通过运量、车轮直径、机车车辆运行速度而定项目许用轴重（t）备注桥梁载重等级中－2221～22中－2625～26钢轨重量（Kg/m）K=2.24319.5K=2.2是年通过量较大，钢轨重量尚不稳定，车轮直径较小，行车速度较高而言的。为避免钢轨早期磨损以及在目前运量不断增长、行车速度不断提高的情况下，对大批量的车辆轴重宜取K=2.25022.755256027.3钢轨重量（Kg/m）K=2.04321.55025.06030.0我国铁道车辆的轴型与轴重的关系见表4-25。表4-25我国各型车轴的轴重轴型BCDEFG轴重(t)1216212530352.自重和载重自重为转向架本身的全部质量，为转向架的一个重要技术指标。载重及转向架允许的正常最大装载质量（包扩车体质量在内的货物质量），一般如果转向架有心盘装置时用最大心盘静载荷表示。载重量的算法有从上而下和从下而上两种算法，从上而下就是将车辆的最大装载货物质量加上车体自身质量再除以每车转向架的个数就得到转向架的载重量；从下而上则是用车辆轴数乘以轴重再减去转向架自重乘以每车转向架个数的差，再除以转向架个数就得到转向架的载重量。为提高转向架的经济性，在设计时，在保证转向架性能、安全的前提下，应该尽量减小转向架的自重，提高单位轴重下的载重量。3.运行速度转向架在保证运行安全及结构强度的前提下，必须按一定的运行速度运行，并且保证转向架及车辆连续以该速度运行时车辆具有良好的运行性能。从提高运能的角度而言，在转向架设计时，应尽量提高转向架运行速度。4.通过最小曲线半径配用某种型式的转向架车辆在站场或厂、段内调车时所能安全通过的最小曲线半径。当车辆在此区段上行驶时不得出现脱轨、倾覆等危及行车安全的事故，要把初步确定出来的技术参数进行运行性能的分析对比计算。避免底架或与车下其它悬挂物相碰。我国铁路站场的最小曲线半径为145m。4.4.3转向架基本结构、型式组成确定确定转向架的承载方式；按照转向架的组成部件，确定各部件的型式、结构，对弹簧进行计算，对车轴、轴承进行选型；确定转向架构架或摇枕、侧架的结构型式，明确转向架悬挂形式，选取合理的减震方式，选择合适的基础制动方式并明确基础制动装置的结构；明确转向架与车体底架的接口形式、与制动装置的接口形式等。1.弹簧选定弹簧类型，确定弹簧的静挠度值，计算弹簧参数，选择合理的空重车挠度差，考虑结构上是否安排得下，考虑空重车静挠度差值加上车轮的磨耗量及弹簧本身的磨耗（或蠕变）后不得超过车辆运行允许的车钩最低高度值（空车835mm，重车815mm）。2.轮对选定车轴的型式及材料，尽可能采用标准的车轴形状和标准材质。选定车轮踏面形式，确定车轮轮径，选取合适的车轮外形形状，并尽量采用标准车轮和标准车轮材质。按照转向架的功能特点确定轮对的型式尺寸。3.转向架承载方式转向架承载方式分为心盘承载、旁承承载和心盘与旁承共同承载三种。应明确转向架的承载方式，选取合适的心盘模式，选择旁承的型式，并确定转向架的回转阻力矩，设定旁承的工作挠度及转向架旁承中心距。转向架的支承车体的装置既能安全可靠地支承车体，承载并传递各作用力，又能使车体与转向架绕不变的旋转中心相对转动，保证车辆顺利通过曲线。4.悬挂系统明确转向架是采用轴箱悬挂装置（一系悬挂）还是采用摇枕中央悬挂装置（二系悬挂），或者同时采用一系和二系两系悬挂。明确转向架的轴箱定位方式，确定减震装置的形式，设定减震装置的阻尼参数或转向架相对摩擦系数。5.构架或侧架、摇枕构架或侧架、摇枕是安装转向架其它零部件的基础，每种转向架均须设计专门的构架或侧架、摇枕。因此，应该明确转向架是采用构架形式还是采用三大件侧架、摇枕结构，明确构架或侧架、摇枕的工艺制作形式是采用焊接还是铸造。6.基础制动装置根据转向架的最高运行速度和紧急制动距离进行转向架制动计算，确定转向架的基础制动形式，比如是采取采取分散制动还是单元制动，闸瓦制动还是盘型制动，闸瓦制动是单侧制动还是双侧制动，单元制动形式是侧置式还是背推式，制动梁的悬挂形式是吊挂式还是滑块式，闸瓦材质型式的选取，基础制动各部件的布置，制动倍率的选取。4.4.4转向架基本尺寸确定1.固定轴距二轴转向架两根车轴中心线之间的距离称为固定轴距。它是转向架长度的基本线性尺寸。其大小影响着转向架自重的确定、车辆的运行性能及轮轨的相互作用力。固定轴距如果定得小一些，可以减轻转向架的自重、减小侧向力、降低构架点头振动的振幅、减轻轮缘与钢轨的内侧磨耗，还可以较灵活地通过曲线，对扭曲线路的适应性也好。但是固定轴距定得太小将使得中央悬挂装置不好布置，更换内侧闸瓦比困难，检修很不方便，而且会减小转向架蛇行运动的波长，对线路（尤其是桥梁）每延米受力情况不利。因此，确定固定轴距大小的原则首先是应尽量缩小，以减轻自重；然后考虑中央悬挂装置的宽度、轮径的大小以及检修方便等因素加以确定。至于通过曲线、振动性能、改善抗蛇行运动稳定性等问题可通过其他途径解决。固定轴距最小值受线路、桥梁每延米载荷的限制。如果线路每延米允许载荷按65kN计算，各种轴型最小固定轴距如表4-26所示。我国主要货车转向架的固定轴距见表4-27。由表中可以看出，所有货车转向架固定轴距都满足按线路每延米载荷所要求的数值。一般地说，固定轴距愈大，自重愈大；轮径小，固定轴距可相应地小一些。货车转向架固定轴距在1580～1850㎜之间，一般D轴可取1750㎜左右。表4-26按线路每延米载荷65kN计算的最小固定轴距轴型轮载荷（kN）最小固定轴距（㎜）B55.5850C751150D1051620E1251920表4-27我国货车转向架的固定轴距转向架型号转8A转8AG转8G转K1转K2转K3转K4转K5转K6转K7自重（t）4.04.154.24.254.254.24.24.74.84.8轴重（t）2122121212121252525轮径（㎜）840840840840840840840840840840固定轴距（㎜）1750175017501750175018001750180018301800国外主型及货车转向架固定轴距列于表4-28。从表中可以看出：货车转向架固定轴距一般在1650～2000㎜之间，转向架自重在4t左右。表4-28国外主型货车转向架固定轴距转向架型号自重（t）轮径（㎜）固定轴距（㎜㎜）前苏联ЦНИИ-X3-04.659501850美国National-SuperC-14.0838～9141778法国Y25C4.49201800法国Y313.68401800法国Y333.57602000德国DB4.269201800日本TR99-13.98601900日本TR223-A3.68601900日本TR2163.48601650英国GPS255.48952.520002.下部限界新造和改造的1435㎜标准轨距的各种机车车辆应符合GB146.1所规定的《标准轨距铁路机车车辆限界》，使车辆在静态停放或动态运行中不与桥梁、隧道及沿线房屋、设备相碰，保证行车安全。通过自动化、机械化驼峰车辆减速器的货车，其下部设计制造尺寸在计入静载下的弹簧下沉量以及最大磨耗后，不得小于车辆减速器在制动或工作位置的货车下部限界《车限-2》，这样货车转向架横向突出部分（如外侧悬挂）和垂下的零部件都应该纳入所规定的下部限界内。3.下心盘面距轨面高货车转向架下心盘面距轨面高度为自由状态下的高度，这是由于货车自重小、载重大、弹簧静挠度小。下心盘距轨面高度与车体自重、牵引梁的结构、车钩缓冲器、枕梁下盖板厚度、上心盘厚度以及弹簧静挠度有关。但不论下心盘距轨面的高度是多少，都应保证落车后（自重下）车钩距轨面高度为880㎜，同时要尽可能缩小车钩中心与牵引梁形心的偏心距，以改善底架受力情况。车钩中心线至尾框上、下平面的距离列于表4-29中。车钩中心线与牵引梁形心的偏心距列于表4-30中。表4-29车钩中心线至尾框上、下平面的距离㎜钩型至尾框下平面至尾框上平面13号143.5142.52号1411602)心盘面距轨面自由高的计算4.侧架上平面距轨面的高度随着列车运行速度的提高，要求加大弹簧静挠度，这势必要增大弹簧的自由高。如果侧架下平面距轨距高为170㎜不变的话，尽可能提高侧架上平面距轨面的高度将可以增加安装弹簧侧架方孔的高度。其计算方法如下：1）已知条件现有货车转向架各部尺寸如图4-11所示。图4-11货车转向架各部尺寸示意图2）侧架上平面与车体枕梁间隙（空车时）5.车体底架下部构件与转向架相关构件之间的间隙6.旁承间隙、旁承中心距旁承间隙的作用是当车体（心盘支重）受到横向力作用发生倾斜时，作为支承帮助心盘承受一部分载荷，以保持车体平衡。当车辆在扭曲量较大的缓和曲线上行驶时，需要足够的旁承间隙来抵消心盘距范围内的线路扭曲。因为车辆承受扭曲造成轮重减载，可能到致脱轨，所以要求有较大的旁承间隙。另一方面，车辆在横向力作用下，由于重心产生横向位移，可能造成一侧车轮载荷减载到零，发生倾覆。旁承间隙愈大，侧摆与侧滚的振幅愈大。因此从抗倾覆的安全性出发，希望旁承间隙较小为好。我国铁路货车转向架在进行提速改造前均采用刚性间隙旁承，因此，旁承间隙量是转向架的一个重要技术指标。表4-33部分货车车型的最小旁承间隙量㎜车型定距线路扭曲量最小旁承间隙‰‰‰‰P50990019.829.74.957.4P60，55.758.6C50980019.629.44.97.35C62，C62M870017.426.14.356.5N16930018.627.94.65756.75旁承中心距的选择应从两方面考虑。一方面从抗脱轨安全性角度考虑，当旁承间隙确定后，旁承距越小越好；另一方面，从抗倾覆安全性考虑。旁承距越小，侧滚振动振幅越大，对运行不利，因而希望加大旁承距。我国主型货车转向架，大部分旁承距为1520㎜，趋于标准。为了通用和互换，各型车体上旁承也均按1520㎜设计。7.下旁承面与下心盘面的高度差目前我国各主型货车转向架下旁承面与下心盘面的高度差值见表4-34。表4-34货车转向架下旁承面与下心盘面的高度差mm转向架型号转8A转8AG转8G转K2转K4转K5转K6转K7下旁承类型间隙旁承常接触弹性旁承自由高度6092929371839293工作高度838383627483834.5转向架承载方式设计转向架结构形式的不同，使车辆垂向载荷传递方式也多种多样。车体与转向架之间衔接部分的结构形式，必须要相互吻合而组成一个整体，因此，转向架与车体结合部结构形式与载荷的传递密切相关。转向架结合部结构的设计实际上就是转向架载荷传递方式的设计，不同的结构就会有不同的载荷传递方式。转向架承载型式分为心盘承载、旁承承载和心盘与旁承共同承载三种。4.5.1心盘承载货车转向架最传统的承载型式为心盘承载。车体载荷通过前后转向架摇枕中央下心盘传递给摇枕左右两边的枕簧。1.结构特点⑴结构简单，制造检修方便，造价较低；⑵通过曲线较容易，侧向力较小；⑶对扭曲线路的适应能力较强；⑷摇枕结构较笨重；⑸直线运行时，由于车体与转向架之间摩擦力矩很小，因而不足以抑制转向架的蛇行运动向车体传递。2.心盘载荷与单位面积压力心盘单位面积压力不宜过大，以免产生接触面上的过渡磨耗或挤压变形。美国铁路协会AAR推荐的心盘单位面积压力不大于7.0MPa，可作为设计时确定心盘直径的参考。表4-35列举了我国货车的心盘直径、载荷与单位面积压力。可以看出，D轴转向架心盘的单位面积压力为7.3MPa，超过AAR推荐的标准。为了使心盘接触面单位面积压力＜7.0MPa，可采用大心盘结构（国外货车把心盘直径加大至600㎜，甚至达1000㎜），这样可以加大心盘回转的摩擦力矩，以有效地抑制转向架的蛇行运动。表4-35我国货车的心盘直径、载荷与单位压力轴型下心盘直径（㎜）上心盘直径（㎜）接触面积（㎝2）心盘载荷（kN）单位面积压力（MPa）B2372322852007.0C3053005202725.25D3053005203807.3E3563507604556.03753708674555.25注：接触面积A的计算：3.旁承单位面积压力心盘承载的车辆，为了限制车体的侧滚位移，设计了旁承装置。在各种运行状态下，旁承受载时单位面积压力不宜过大，以避免产生接触面上的磨损。国际铁路联盟UIC建议单位压力≯2.04～2.55MPa。4.设计选择旁承结构时应注意⑴上下旁承一般采用平面旁承。以前货车的上旁承为平面旁承，下旁承采用滚子式。目的是使车辆通过曲线时，转向架与车体的相对转动阻力较小。但运行一段时间后，由于上下旁承之间的接触接近线接触，单位面积压力较大，又因货车心盘距较短，转向架与车体相对转角较小，上下旁承横向位移也较小，所以上旁承出现局部挤压、凹坑。故目前已将下旁承改为平面旁承。⑵旁承摩擦阻力不宜过大，以便使车辆能够顺利通过曲线，否则车体与转向架相对转动受阻，致使外侧轮缘的侧向力过大，可能造成轮缘啃轨或爬轨。⑶车辆通过具有最小半径的曲线时，转向架与车体之间产生最大相对位移，此时上下旁承不得脱开。4.5.2旁承承载为改善车辆随速度提高而引起的横向振动恶化的情况，采用旁承承载结构。图4-14是我国的一种旁承承载结构示意图，该设计将车体重量直接坐落在四个弹簧上，弹簧通过摇枕和下旁承坐落在构架上。图4-15是国某型转向架旁承支重的类似结构示意图。1空气弹簧2下旁承3中央转筒1空气弹簧2下旁承3中央转筒4轴箱橡胶垫5车体6摇枕7构架8轮对图4-14转向架旁承承载示意图1-车体2-构架3-摇枕图4-15支悬示意图1.结构特点⑴利用旁承取代心盘承受来自车体全部重量的支重型式有助于减轻摇枕的重量。⑵旁承面间摩擦所形成的摩擦力矩与合适的轴箱定位刚度配合，能有效地抑制转向架蛇行运动向车体的传递，提高车辆蛇行运动失稳的临界速度，从而改善车辆直线运行时抗蛇行运动的稳定性。⑶结构较复杂，摩擦副要求较高。⑷旁承摩擦力矩随载荷的增加而增大。旁承摩擦力矩M对抗脱轨安全性有一定影响（N增大，侧向力增大）。2.摩擦副材料旁承承载对摩擦副的材料要求较高，所选用的材料应具有耐磨性，摩擦副间的摩擦系数要稳定，并且有自润滑性能。3.旁承摩擦力矩高速转向架一般都设有回转阻尼装置，这是抑制高速转向架蛇行运动的一个极其有效的措施。可采用的回转阻尼装置有：a.旁承承载；b.大心盘；c.抗蛇行减振器。回转阻力矩的选择，各国不一致，其采用的关系式列于表4-36。一般从提高转向架直线运行时抗蛇行运动的稳定性来说，回转阻尼取大些好。但是从减少转向架通过曲线时轮轨间的侧向力及磨耗方面考虑，回转阻尼不宜过大。表4-37列出几种转向架最佳回转力矩的数值。表4-36各国回转阻力矩采用的关系式国别回转阻力矩备注英国M=（0.03～0.05）AL容许最高回转阻力矩M≤0.1AL意大利、荷兰M=（0.06～0.07）AL意大利取25kN·m作为极限值苏联M=（0.1～0.2）AL法国M=0.1PL日本M=（0.03～0.05）AL注：A—轴载荷（kN）；L—转向架固定轴距（m）；P—每台转向架承受的载荷（kN）。表4-37最佳回转力矩国别转向架型号最佳回转阻力矩M（kN·m）备注法国Y2018试验值Y2818～25试验值日本DT206现车试验值德国Minden-Deutz11德国建议（从抗脱轨安全性考虑）：M≤0.6l1Ql1—固定轴距之半Q—平均轮载荷中国KZ211～17自重下为11，载重下为17L7814自重下的M值4.5.3心盘与旁承共同承载货车运行速度的提高，要求增大转向架与车体之间的回转阻尼，但必须考虑在提高转向架直线运行抗蛇行运动的稳定性时兼顾曲线运行的抗脱轨安全性，即也采用一定比例的心盘与旁承共同承载形式。我国现行的货车已全部采用心盘与旁承共同承载形式，旁承为双作用常接触弹性旁承。采用双作用常接触弹性旁承可有效抑制转向架与车体的摇头蛇行运动，同时约束车体侧滚振动，提高货车在较高速度运行时的平稳性和稳定性。由于常接触弹性旁承上下之间无间隙而又有接触弹性，也增加了车体在转向架上的侧滚稳定性。同时，为了防止货车曲线运行时车体发生过大倾角，采用刚性滚子来限制弹性旁承的压缩量。一旦上旁承压靠滚子，不仅车体倾角受到限制，而且由于滚子的滚动而不致增大回转阻力矩，影响曲线通过性能。1.双作用常接触弹性旁承原理双作用常接触弹性旁承由橡胶钢簧复合弹性体和刚性滚子并列组成，装用这种旁承后，车体落车时，给常接触旁承弹性体一定的预压缩量，在上下旁承之间产生一定的预压力，当转向架相对于车体回转或有回转趋势时，在上旁承金属面与下旁承由合成材料制成的磨耗板之间产生摩擦阻力，左右旁承之间形成了回转阻力矩。对车体与转向架间采用间隙旁承的车辆来说，回转阻力矩主要由上、下心盘间的摩擦阻力所产生。由于空车状态心盘载荷较小，故空车时的回转阻力矩较小，而重车回转阻力矩就较大。当车辆采用常接触旁承后，回转阻力矩将由旁承摩擦力矩和心盘摩擦力矩所组成，即（4-9）旁承摩擦力所产生的阻力矩主要增加了空车状态的回转阻力矩。由于车体施加在旁承上的正压力并不随空、重车状态而变化，故式中的基本上是一个常量。这样，当采用常接触弹性旁承时，可使车辆在空车和重车状态都能获得较为理想的回转阻力矩。2.JC系列弹性旁承主要结构及参数JC、JC-2、JC-3三种弹性旁承均由弹性旁承体、旁承磨耗板、旁承座、滚子、滚子轴及调整垫板等主要零部件组成，JC-1型弹性旁承主要由弹性旁承体、旁承磨耗板、支承磨耗板、旁承座等主要零部件组成，与JC、JC-2、JC-3型弹性旁承不能互装使用。主要结构见图4-16，主要参数及适用转向架范围分别见表4-38和表4-39。表4-38JC系列弹性旁承主要尺寸及性能参数旁承型号旁承座长度(mm)名义自由高(mm)适用旁承间隙(mm)旁承体刚度（MN/m）旁承总行程(mm)JC292107≥42.2±0.215eq\o(\s\up8(+2),\s\do3(-1))JC-1225105≥42.2±0.215eq\o(\s\up8(+2),\s\do3(-1))JC-2292112≥62.4±0.220eq\o(\s\up8(+2),\s\do3(-1))JC-3292107≥41.7+0.2-0.115+0.5-1表4-39JC系列弹性旁承适用转向架范围弹性旁承型式适用转向架适用铁路货车JC型转K2、转K6、转k7型转向架等主要通用货车JC-2型转K2、转K6型转向架等定距较长车辆JC-3型转K2、转K6型转向架等自重较轻车辆JC-1型转8B（8AB）型转向架完善改造货车（a）JC型（b）JC-1型（c）JC-2型（d）JC-3型图4-16JC系列弹性旁承结构示意图3.下心盘心盘结构除了支承车体垂向载荷，传递纵向载荷外，同时提供合适的回转阻力矩以提高车辆的抗蛇形稳定性。心盘的形式一般分为平面心盘和球形（面）心盘两种（图4-17）。(a)平面下心盘(b)球形（面）下心盘图4-17下心盘的常见形式我国铁路货车转向架一般都采用平面下心盘，这主要是平面下心盘的结构简单，制造检修方便，制造成本低，互换性强。平面下心盘又分为心盘与摇枕一体式下心盘和分体式下心盘。分体式下心盘用防松螺栓或者拉铆钉固定在摇枕上，在下心盘和摇枕之间加适当厚度的垫板，以调整车钩高度。为了减小车体上心盘与转向架下心盘之间的磨耗，一般会在下心盘接触面上放置一个有高分子复合材料制作的心盘磨耗盘。我国早期的转8A型转向架和国外一些国家的货车转向架采用下心盘与摇枕铸为一体式结构。这种摇枕结构减少了它与下心盘结合的加工面，省去了心盘螺栓，避免了由于心盘螺栓松动带来的故障，对制造和检修也比较方便，可是调整车钩高度较为困难。心盘直径的选择是心盘设计的重要内容。心盘直径大小的选择根转向架的轴重有关，并根据转向架心盘回转阻力矩大小来确定。心盘直径愈大，对改善转向架的运行稳定性的效果愈明显，转向架回转阻力矩愈大，但心盘磨耗将愈快，转向架曲线通过能力愈弱，因此，应综合兼顾转向架的稳定性和曲线通过能力来选择下心盘直径。我国铁道部标准TB/T1666对不同轴重的转向架下心盘直径规定见表4-40。表4-40不同轴重转向架下心盘直径轴型2B2C2D2E轴重（t）12162125车轮直径（mm）840840840840下心盘直径（mm）305305305355表4-41是我国目前的主型货车转向架的下心盘情况，可以看出，25t轴重重载货车转向架下心盘直径超出了TB/T1666规定的355mm而采用375mm，就是综合考虑转向架的稳定性和曲线通过能力而选取的合适数据。表4-41我国主要货车转向架的下心盘情况转向架型号转8A转8AG转8G转K1转K2转K3转K4转K5转K6转K7下心盘形式平面平面平面平面平面球面平面平面平面平面轴重（t）21212121212121252525车轮直径（mm）840840840840840840840840840840下心盘直径（mm）305305305355355SR190355375375375约70min4.6轮对轴箱装置设计与轴承的选型轮对沿着钢轨滚动，除传递车辆重量外，还传递轮轨之间的各种作用力，包括牵引力和制动力。轴箱和轴承装置是联系构架（侧架）和轮对的活动关节，使轮对的滚动转化为车体沿钢轨的平动。4.6.1轮对轮对是由一根车轴和两个相同的车轮组成的，在轮轴接合部位采用过盈配合，使两者牢固地结合在一起，为保证安全，绝对不允许有任何松动现象发生。轮对承担车辆全部重量，且在轨道上高速运行，同时还承受着从车体、钢轨两方面传递来的其他各种静、动作用力，受力复杂。因此，对车辆轮对的要求是：应有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行；应在强度足够和保证一定使用寿命的前提下，使其重量最小，并具有一定弹性，以减小轮轨之间的相互作用力；应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以只需要较少的牵引动力并能提高使用寿命；应能适应车辆直线运行，同时又能顺利通过曲线，还应具备必要的抵抗脱轨的安全性。轮对是转向架中重要的部件之一，又是影响车辆运行安全性的关键部件之一，故在新造、厂修及运用中，轮对都有严密的技术要求和严格的管理制度。例如：对用于标准轨距的轮对两轮缘内侧距离必须符合组装要求，并要求在同一轮对的三等分但点上所测得的内侧距，最大差值不得超过1㎜。4.6.2车轴1车轴各部位名称及作用铁路车辆用的车轴绝大多数是圆截面实心轴。由于车轴各部位受力状态不同及装配的需要，其直径也不一样。各部位名称和作用如下（见图4-18）：图4-18滚动轴承车轴图4-18滚动轴承车轴1-轴颈；2-防尘板座；3-轮座；4-轴身；5-螺丝孔；6-发电机轴加长部分板图4-19各型车轴基本尺寸①轴颈：用以安装滑动轴承的轴瓦或滚动轴承，负担着车辆重量，并传递各方向的静、动载荷。②轮座：是车轴与车轮配合的部位。为了保证轮轴之间有足够的压紧力，轮座直径比车轮孔径要大0.10～0.13㎜，同时为了便于轮轴压装，减少应力集中，轮座外侧（靠防尘板座侧）直径向外逐渐减小，成为锥体，其小端直径比大端直径要小1㎜，锥体长12～16㎜。轮座是车轴受力最大部位。③防尘板座：为车轴与防尘板配合部位，其直径比轴颈直径大，比轮座直径小，介于两者之间，是轴颈和轮座的中间过渡部分，以减小应力集中。④轴身：是车轴中央部分，该部位受力较小。应该指出，为减小应力集中，各相邻截面直径变化时，交接处必须缓和过渡。为了提高车轴的疲劳强度，对轴颈、防尘板座和轮座要进行滚压强化和精加工。车轴轴型已经标准化和系列化，这是为了简化设计，便于制造、检修、运用，同时为了减轻车轴自重，提高经济效益，以适应不同车种和不同车辆自重和载重的要求，以及适应客、货运输用途不同的需要。根据国家标准GB/T12814，标准型滚动轴承车轴有RB2、RD2、RE2、RC2A、RC3、RC4、RD3、RD4、RD3A、RD3B型。其中RB2、RD2、RE2、RE2A、RE2B型用于货车，RD3、RD4、型既可用于货车，也可用于客车，其余用于客车。RC4、RD4型车轴为发电机传动车轴。2.国内常用货车车轴尺寸3．车轴材质及要求车轴采用优质碳素钢，如平炉钢或电炉钢刚锭或专用的车轴钢坯加热锻压成型，经过热处理（正火或正火后再回火）和机械加工制成。4.6.3车轮1.车轮各部分名称及作用目前我国铁路车辆上使用的车轮绝大多数是整体钢轮，它包括踏面、轮缘、轮辋、幅板和轮毂等部分，如图4-20所示。图4-20车轮图4-20车轮(a)整体轮；（b）直辐板形轮；（c）S形辐板轮；（d）轮箍轮1-踏面；2-轮缘；3-轮辋；4-辐板；5-轮毂；6-轮箍；7-扣环；8-轮心车轮踏面需要做成一定的斜度，其作用是：①便于通过曲线。车辆在曲线上运行，由于离心力的作用，轮对偏向外轨，于是在外轨上滚动的车轮与钢轨接触的部分直径较大，而沿内轨滚动的车轮与钢轨接触部分直径较小，使滚动中的轮对中大直径的车轮沿外轨行走的路程长，小直径的车轮沿内轨行走的路程短，着正好和曲线区间线路的外轨长内轨短的情况适应，这样可使轮对较顺利地通过曲线，减少车轮在钢轨上的滑行。②可自动调中。在直线线路上运行时，如果车辆中心线与轨道中心线不一致，则轮对在滚动过程中能自动纠正偏离位置。③踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。从上述分析可知，车轮踏面必须有斜度。而由于它的存在，也是轮对以至整个车辆发生自激蛇行运动的原因（见图4-21）。图4-21车轮轮缘踏面外形（a）锥型踏面；（b）LM磨耗型踏面；（c）LMa磨耗型踏面；（d）S1002型踏面图4-21（a）所示为锥形踏面，锥形踏面有两个斜度，即1:20和1:10，前者位于轮缘内侧48～100㎜范围内，是轮轨的主要接触部分，后者为离内侧100㎜以外部分。踏面的最外侧做成R=6㎜的圆弧，其作用是便于通过小半径曲线，也便于通过辙叉。图4-21（b）、（c）、（d）所示为磨耗型踏面，是在研究、改进锥形踏面的基础上发展起来的。各国车辆运用经验表明，锥形踏面车轮的初始形状，运行中将很快磨耗，按当磨耗成一定形状后（与钢轨断面相匹配），车轮与钢轨的磨耗都变得缓慢，其磨耗后的形状将相对稳定。实践证明，把车轮踏面一开始就做成类似磨耗后的稳定形状，即磨耗型踏面，可明显减少轮与轨的磨耗、减少车轮磨耗过限后修复成原形时旋切掉的材料、延长了使用寿命，减少了换轮、旋轮的检修工作量。磨耗型踏面可减小轮轨接触应力，即能保证车辆直线运行的横向稳定，又有利于曲线通过。图4-21（b）是我国客、货车LM磨耗型踏面形状，图4-21（c）是我国快速客车LMa磨耗型踏面形状，图4-21（d）是UICS1002磨耗型踏面形状。各国采用的车轮踏面形状多种多样，概括起来说应具备下列条件：具有良好的抗蛇行运动稳定性；具有良好的防止脱轨的安全性；轮轨之间的磨耗少，发生磨耗后，外形变化要小；易于通过曲线；轮轨之间接触应力要小；以及旋修车轮时，无益的消耗少，切削去掉部分的质量要小等。由于车轮踏面有斜度，各处直径不相同，规定钢轨在离轮缘内侧70㎜处测量所得的直径为名义直径，该圆称为滚动圆，即以滚动圆的直径作为车轮名义直径。车轮直径的大小，对车辆的影响各有利弊。轮径小，可以降低车辆重心，增大车体容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴距；但阻力增加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，同时，小直径车轮通过轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响也将加大。轮径大的优缺点则与之相反。所以，车轮直径尺寸的选择，应视具体情况而定。我国货车在25t轴重以下（含25t轴重）的标准轮径为840㎜。2．车轮种类车轮的结构、形状、尺寸、材质是多种多样的。按其用途可分为客车用、货车用、机车用车轮。按其结构分有整体轮与轮箍轮。轮箍轮又可分铸钢辐板轮心、辗钢辐板轮心及铸钢辐条轮心的车轮。整体轮按其材质又可分为辗钢轮、铸钢轮等。为降低噪音，减小簧下质量，国外还采用弹性车轮、消音车轮、S形辐板车轮等车轮。目前我国采用整体辗钢轮和整体铸钢轮以及少量的轮箍轮。1）整体辗钢轮简称辗钢轮，是由钢锭或轮坯经加热辗轧而成，并经过淬火热处理。辗钢轮具有强度高、韧性好、自重轻、安全可靠，运用中不会发生轮箍松弛和崩裂故障，适应载重大和运行速度高的要求；维修费用较低，轮缘磨耗过限后可以堆焊，踏面磨耗后可以旋削，能多次旋修使用等优点。它是我国铁路车辆上采用的主型车轮。但辗钢轮制造技术较复杂，设备投资大，踏面的耐磨性不如轮箍轮的轮箍好。辗钢轮的材质用Ⅱ牌号CL60钢材。为适应高速、重载运输发展的需要，近些年来又开发、研制了S形辐板整体辗钢轮。它的结构主要特点有：辐板为不同圆弧连接成的S形状；LM型踏面；取消了辐板孔；适当减簿轮毂孔壁厚度（为40㎜）。各S形辐板系列车轮的使用范围及代号参见表4-47。表4-47各型车轮的使用范围及代号轮型客车轮货车轮轮径：φ915mm轮径：φ840mm轮径：φ915mm适用范围速度（km/h）≤120≤160≤200≤120≤120≤120≤120≤120轴重（t）1816.515.51221252730轴型DDDBDEFF轮型代号KDSKDSKKDHBSHDSHESHFSHFS材质CL60CL65CL70CL60CL60CL60CL65CL70备注①KKD为采用盘形制动的快速客车S形车轮，适用标准TB/T2708-96。②其余各型车轮适用标准为TB/T2817-97，915E轴S形车轮暂不列入。S形辐板大多采用CL60车轮钢，要求严格控制其纯净度，以提高车轮内在质量。采用先进的间歇淬火或三面淬火新工艺，提高轮辋断面的硬度分布均匀性。车轮为全加工、全喷丸、全探伤，有效消除了由于尺寸公差超差所造成的踏面不圆，车轮偏心等问题，故明显有别于国标车轮。要求严控车轮残余静平衡值，使制造精度比现有国标车轮均普遍提高。对客车S形辐板轮进行有限元计算和实物静强度对比实验表明，在相同载荷下直辐板形车轮可提高结构强度约30%；热处理后的车轮残余应力分布合理，其改善程度达到国际先进水平；动应力测试表明，由于该S形辐板轮具有较好的径向弹性，可显著改善轮轨动作用力，其最大峰值可减少约50%。1998年我国正式批量生产S形辐板整体辗钢轮。辗钢轮制成后，在每个车轮的轮辋外侧面上打上制造年月、压延号、厂标、轮型和熔炼炉号等制造标记。2）铸钢车轮在解放初期的50年代，为了适应铁路运输的需要，曾经大量生产过冷铸生铁轮和批量生产过旧型铸钢轮。冷铸生铁轮强度低，韧性差，踏面容易剥离、缺损、严重影响车辆运行品质和运行安全，故早已淘汰。旧型铸钢轮为一体式，它比冷铸生铁轮强度高，韧性好，当时主要安装在客车上，也为铁路运输做出了一定贡献。但由于它铸造时容易产生砂眼、气孔、缩孔等缺陷，成品率不高，并且踏面硬度低易耐磨，容易出现轮辋辗宽等缺陷，所以很快停止生产。新型铸钢轮生产工艺是采用电弧炉炼钢、石墨铸型、雨淋式浇口浇铸工艺。采用电弧炉熔炼钢水，钢水纯度较高。采用石墨铸型，使铸件表面光洁，尺寸精度高，由于石墨导热性能优良，铸件凝固速度快，晶粒细化，可提高材质机械性能和车轮的内在质量。采用雨淋式浇铸工艺，冒口与浇口设在同一位置，浇铸时钢水由轮辋、辐板至轮毂顺序凝固，补缩用的钢水自冒口沿补缩通道不断补充，达到最佳补缩效果。铸成后的车轮，进行缓冷处理，使铸件各部位均匀冷却，以消除内应力。随之进行热轮抛丸以清理表面余砂及氧化铁皮，再进行加热、淬火及回火的热处理工艺，对辐板进行抛丸强化处理，提高车轮的使用寿命。由于采用上述这些先进的生产工艺，使新型铸钢轮具有尺寸精度高、安全性好、制造成本低等优点。新型铸钢轮与整体辗钢轮相比，明显的区别是：铸钢车轮是由钢水在生产线上直接铸造成型。与辗钢车轮相比，省去了铸锭、截断再加热、压型、冲孔、轧制等诸多工序，因生产工序少、劳动力消耗少、生产能耗低。由于采用石墨型浇铸工艺，避免了辗钢轮由于下料偏差引起的尺寸和重量偏差，使新型铸钢轮尺寸精度、几何形状好、内部组织均匀、质量分布均匀、轮轨之间动力作用相对小。新型铸钢车轮辐板为深盆形结构（又称流线形结构），耐疲劳、抗热裂的性能均优于辗钢车轮。3）轮箍轮又称带箍轮或有箍轮（图4-20d），由轮箍6、轮心8和扣环7组成。从车轮的工作性质而言，这种结构形式比较合理，轮箍是用平炉优质钢辗压制成，强度高、耐磨性好；而轮心是用含碳量较低的Q235钢铸造的，韧性好、耐冲击，但是由于轮箍和轮心是组合式的，在运行中容易产生轮箍松弛和崩裂，严重威胁行车安全，且轮箍、轮心的机械加工量大，烧嵌工作量多，修理费用高，及自重大等缺陷，故目前车辆上已很少使用。4）高速轻型车轮为了减少高速运行时轮轨之间动作用力，减轻簧下质量是重要措施之一。因车轮约占轮对质量的1/2，所以实现车轮的轻量化成为必然。为能使车轮轻量化，虽然可以选择减小轮径来实现，但随着轮径的减小，会加大轮轨接触应力，增加轮轨磨耗并在运行里程相同的条件下，还将会加速轮轴、轴承的疲劳损伤。所以，一般采用的方法是维持轮径不变而减小车轮质量，为此需要实现车轮有限元的优化设计。纵观国外高速车辆轻型车轮结构，主要特点是：采用薄轮辋（厚约为50㎜）、薄辐板（一般最小在9～15㎜左右）、薄轮毂壁厚（约30㎜）；采用适用于高速运行的踏面外形；采用设计合理的辐板外形，如双曲形、双波纹形、大圆弧形等，并均为圆弧连接。另外，设计高速车辆时，要对车轮的加工精度及质量均衡性提出更高要求。如在UIC标准中规定的车轮允许的静不平衡值与运行速度之间关系为：80＜≤120km/h时为1.25N·m；120＜≤200km/h时为0.75N·m；＞200km/h时为0.50N·m。5）弹性车轮在轮心（轮毂）与轮箍之间安置弹性元件——橡胶垫，使车轮在空间三维方向上的弹性与整体轮相比，比较柔软。这样结构的车轮称为弹性车轮。采用弹性车轮明显减小车辆簧下部分重量，减小轮轨之间作用力，缓和冲击，提高列车运行平稳性，改善车轮与车轴的运用条件，减少轮轨磨耗，减小噪音。弹性车轮的缺点是结构复杂，制造检修较难，并使车辆运行阻力略有增加。根据橡胶元件的受力状态，弹性车轮的结构形式分承压、承剪和承剪压三种。前两种形式由于结构限制，如同时要求做到比较理想的径向和轴向缓冲性能是比较困难的，采用较多的是承剪压式橡胶元件弹性车轮。试验表明：采用弹性车轮，车辆垂向和水平方向的加速度都显著地降低，比起装有普通钢轮的车辆约减小1/3，同时也减少了噪音和轮缘磨耗。当前我国铁路货车转向架轮对主要采用铸钢车轮和辗钢车轮，车轮滚动圆名义直径为φ840mm，少部分新研制的大轴重货车转向架和160km/h速度级快速货车转向架车轮直径为φ915mm，轮辋宽度135mm，车轮踏面采用LM磨耗型踏面。既有车轮技术参数轮对须通过静平衡试验，最大剩余不平衡值根据运行速度等级确定：速度等级为120km/h以下的，最大剩余不平衡值≤1.25N·m：速度等级为120km/h以上的，最大剩余不平衡值为0.75N·m。4.6.4轴箱定位装置约束轮对与构架（侧架）之间相对运动的机构，称为轴箱定位装置，由于轴箱相对于轮对在左右前后方向的间隙很小，故约束轮对相对运动的轮对定位通常也称为轴箱定位。对于轴箱定位装置的基本要求是：在纵向和横向具有适宜的弹性定位刚度值，其值是该装置的主要参数；它的结构形式应能保证良好地实现弹性定位作用，性能稳定，结构简单可靠，无磨耗或少磨耗，制造、组装和检修方便，重量轻，成本低。适宜的轴箱弹性定位，不仅可以避免车辆在运行速度范围内发生蛇行运动失稳，还能保证车辆在曲线上运行时具有良好的导向性能，从而减小轮对与钢轨之间的冲击和侧压力，减轻车轮轮缘与钢轨的磨耗，确保车辆运行的安全性和平稳性。轴箱定位装置有多种结构形式，常见的有下列几种：图4-22轴箱定位方式1.固定定位轴箱与转向架侧架铸成一体，或是轴箱与侧架用螺栓及其他紧固件连接成为一个整体，使得轴箱与侧架之间不能产生任何相对运动，如图4-22（a）所示。2.导框式定位轴箱上有导槽，构架（或侧架）上有导框。构架（侧架）的导框插入轴箱的导槽内，这种结构可以容许轴箱与构架（侧架）之间在铅垂方向有较大的相对位移，但在前后、左右方向仅能在容许的间隙范围内有相对小的位移，如图4-22（b）所示。3.干摩擦导柱式定位安装在构架上的导柱及坐落在轴箱弹簧托盘上的支持环均装配有磨耗套，导柱插入支持环，发生上下运动时，两磨耗套之间是干摩擦，它的作用原理是由于轴箱橡胶产生不同方向的剪切变形，实现弹性定位作用，如图4-22（c）所示。4.油导筒式定位把安装在构架上的轴箱导柱和坐落在轴箱弹簧托盘上的导筒分别做成活塞和油缸形式，导柱插入导筒。导柱在导筒内上下移动时，油液可以进出导柱的内腔，产生减振作用。它的作用原理是，当构架与轴箱之间产生水平方向的相对运动时，利用导柱与导筒传递纵向力和横向力，再通过轴箱橡胶垫传递给轴箱体，使橡胶垫产生不同方向的剪切变形，实现弹性定位作用，如图4-22（d）所示。5.拉板式定位用特殊弹簧钢制成的薄形定位拉板，一端与轴箱连接，另一端通过橡胶节点与构架连接。利用拉板在纵向和横向的不同刚度来约束与轴箱的相对运动，以实现弹性定位。拉板上下弯曲变形刚度小，对轴箱与构架上下方向的相对位移约束很小，如图4-22（e）所示。6.拉杆式定位拉杆两端分别与构架和轴箱销接，拉杆由于容许轴箱与构架在上下方向有较大的相对位移。拉杆中的橡胶垫、套分别限制轴箱与构架之间的横向与纵向的相对位移，实现弹性定位。7.转臂式定位又称弹性铰定位。定位转臂一端与圆筒形的轴箱体固接，另一端以橡胶弹性节点与焊在构架上的安装座相连接。橡胶弹性节点容许轴箱相对构架有较大的上下方向位移，但它里边的橡胶件使轴箱纵向与横向位移的定位刚度有所不同，以适应纵、横两个方向的不同弹性定位刚度的要求，如图4-22（f）所示。8.橡胶弹性定位构架与轴箱之间设有橡胶弹簧，这种橡胶弹簧上下方向的刚度比较小，轴箱相对构架在上下方向有比较大的位移，而它的纵、横方向具有适宜的刚度以实现良好的弹性定位，如图4-22（g）所示。我国货车转向架由于多是三大件转向架，所以基本都采用导框式定位方式，只有转K3型转向架采用楔块式轴箱定位，少量焊接转向架采用利诺尔轴箱定位方式，近年研制的160km/h快速货车转向架采用橡胶弹性定位。4.6.5滚动轴承装置由于我国货车转向架目前采用的轴承均为滚动轴承，故以下提到的轴承均指滚动轴承。1.铁路车辆滚动轴承的特点采用滚动轴承是铁路车辆技术现代化的重要措施之一，采用滚动轴承后，显著地降低了车辆起动阻力和运行阻力，可以提高牵引列车的重量和运行速度。经验证明：采用滚动轴承与滑动轴承相比，列车起动阻力降低约85%。当速度为30、60、70km/h时，运行阻力分别减低18%、12%、8%。并且改善了车辆转向架的工作条件，减少了燃轴等惯性事故，减轻了日常养护工作，延长检修周期，缩短检修时间，加速车辆的周转，节省油脂，降低运营成本。所以，新造客、货车都采用滚动轴承。2.滚动轴承的基本类型由于铁路货车容许轴重比较大，故采用承载能力比较大的滚子滚动轴承。按滚子的形状可分为圆柱滚动轴承、圆锥滚动轴承和球面滚动轴承。轴承由外圈、内圈、滚子和保持架所组成。内、外圈和滚子是用高碳铬钢制成的，保持架是用锻钢或塑钢制成。滚子与内、外圈之间有一定的径向和轴向间隙，以保证滚子自由滚动、载荷分布合理和传递轴向与径向力。保持架使滚子与滚子之间保持一定距离，防止相互挤压而被卡住。1）圆柱滚动轴承2）圆锥滚动轴承1-轴承；2-油封组成；3-前盖；4-防松片；5-通气栓图4-23197726T圆锥滚子滚动轴承为了满足铁路货车提速、重载的需要，提高轴承的运用可靠性，于2005年开发了353130A、353130B、353130C型紧凑型轴承，如图4-24所示。紧凑型轴承的主要特点是减少了轴承的零件，缩短了轴向宽度。353130A、353130B、353130C型紧凑型轴承适用于缩短了轴颈长度的RE2B型车轴。1-外圈；2-前盖；3-后挡；4-螺栓；5-防松片；6-施封锁；7-标志板图4-24353130A、353130B、353130C型紧凑型滚动轴承3.轴承选型车辆滚动轴承选型方法很多，目前较常用的是根据额定动载荷来选取。额定动载荷是指额定寿命为100万转时，轴承所能承受的负荷，它是代表轴承负荷能力的主要指标。所谓额定寿命是指一批同型号、同尺寸的轴承，在相同条件下转动时，其中90%的轴承在疲劳剥离前能够达到或超过的总转数，或在一定转速下的工作小时数。换句话说，能达到此寿命的可靠性（概率）为90%。一个滚动轴承的使用寿命多长，也是考核的主要指标。轴承的型号和尺寸不同，其额定动载荷也不相同，各种轴承的额定动载荷可在《滚动轴承产品样本》中查到。新设计或该装轴承部件时，需要选择适用的轴承。选用轴承的程序如下：4.确定轴承的工作条件⑴轴承所承受负荷的大小和方向（径向、轴向或与轴向同时作用）；⑵负荷性质（稳定负荷、交变复荷或冲击负荷）；⑶轴承转速；⑷轴承工作环境（温度、湿度、酸度等）；⑸安装部件结构上的特殊要求（调心性能、轴向位移、可调整游隙，以及对轴承的尺寸和旋转精度的要求等）；轴承的寿命要求。5.确定轴承精度等级根据轴承的工作条件选择轴承类型及确定轴承精度等级。1）选用轴承根据轴承的负荷、转速和要求的寿命，计算所需轴承额定动负荷，并按此值在轴承产品样本中选取适用的轴承（计算值≤“样本”中的值）。需要注意，这里计算取值的轴承负荷，当轴承同时承受径向和轴向负荷时，必须换算为当量动负荷进行计算。铁路车辆滚动轴承，在运用中承受着较大的、且变化的静、动载荷的联合作用。因此，要求轴承耐振、耐冲击、寿命高，而且要有较小的尺寸与重量，确保行车安全。所以，设计中，轴承寿命应考虑厂、段修的期限，以便在检修车辆时同时检修轴承。2）高速车辆对滚动轴承的要求旅客列车及快速货车的高速运行对车辆部件包括轴承提出了更高要求。轴承的使用条件已很严酷，轴承的工作环境（振动力、位移、速度和温度）对轴承的性能有很大影响，因此，全面限定轴承的工作环境对于高速车辆轴承的设计、研究和试验是很重要的。影响轴承性能的主要因素是：轴承结构（形式、保持架、内部形状）；轴承质量（材质、热处理、精度）；润滑油（质量、数量、种类）；密封（形式、质量）和工作环境。在高速列车情况下，需要对整个轴承系统进行分析，以准确地确定轴承性能。轴承系统包括所设计车辆的环境条件、轴承、轴箱、润滑和密封方式，值得注意的是：a.部件性能的相互依赖性，即一个元件的变化会使其他元件的性能发生变化；b.轴承在机械系统中工作时，它影响系统，而且还受系统的影响。对于高速车辆使用的轴承，应着重解决的问题是：尽力降低轴承运转温度和实现小型轻量化。3）轴承的选型、精度等级、材质及热处理4）轴承润滑脂5）润滑脂的填充量6）轴承密封7）轴承游隙8）轴承运转温度及降低轴温的措施根据寿命分析，优先选择既有成熟型号（见表4-49），对于不满足要求的应根据结构要求、寿命要求，优先从国外轴承样本中选择。表4-49铁路货车轴承主要技术参数轴承型号353130B紧凑型353130A紧凑型SKFl97726352226X2-2RZ图号THZ353130B-00-OO-OOSYST257-00-OO-OOTBU-MOR-SKF-197726SYST23B-00-OO-OO质量kg41.245.55-37.89轴重t2525212l压装依据标准运装货车［2006］21号运装货车［2005］274号TB/T1701-2005运装货车[2001]22号TB/T1701-2005轴承外圈mmφ250φ230轴承外圈mm160150压装力kN68.6～235.268.6～24568.6～24578.4～245压装后轴向游隙mmO.05～O.45O.1～O.5O.025～O.508O.075～O.5螺栓拧紧力矩N-m315～345294～304216～226最大营运速度km/h120最高允许温升550500550550质量保证期8a或80万公里4.7转向架弹性悬挂装置设计车辆在轨道上运行时，将伴随产生复杂的振动现象。为了减少线路不平顺和轮对运动对车体的各种动态影响（如垂向振动、横向振动等），转向架在轮对与构架